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石英的礦物學(xué)特征及關(guān)鍵性質(zhì)
石英（quartz），SiO2，是一種架狀結(jié)構(gòu)的硅的氧化物，α-石英（低溫石英，三方晶系）和β-石英（高溫石英，六方晶系）的總稱(chēng)。α-石英和β-石英的轉(zhuǎn)變溫度為573℃，未加說(shuō)明時(shí)，常指α-石英。
α-石英和β-石英
在礦物晶體化學(xué)分類(lèi)中，石英歸屬于氧化物類(lèi)、石英族。由于石英處于硅酸鹽的端元位置，有時(shí)也歸入硅酸鹽類(lèi)。石英族包括石英、方石英、鱗石英、柯石英、斯石英等SiO2同質(zhì)多象變體，其中柯石英和斯石英屬高壓相。
石英的理論化學(xué)成分(wB%)：SiO2 100，或Si 46.74，O 53.26。天然石英成分比較純凈，但由于類(lèi)質(zhì)同像替代作用，可含有少量Al、K、Na、Li、Ca、Fe、Mg、Mn、Ti、Cu、Zn、Cr、Ni、B、P等雜質(zhì)元素。
石英SiO2的架狀基型晶體結(jié)構(gòu)，決定了它的結(jié)構(gòu)比較開(kāi)闊，相對(duì)密度2.65，但[SiO4]四面體的Si-O鍵力強(qiáng)，所以硬度7，耐酸（除HF），微溶于KOH溶液中，熔點(diǎn)高（熔化溫度1710～1756℃），冷卻后即變?yōu)槭⒉ＡА?/p>
泰谷諾石英玻璃錠
石英是一種堅(jiān)硬、耐磨、化學(xué)性能穩(wěn)定的硅酸鹽礦物。通常為無(wú)色或乳白色，因各種雜質(zhì)的混入可呈現(xiàn)不同的顏色，半透明，硬度7，性脆，無(wú)解理，貝殼狀斷口，油脂光澤，相對(duì)密度2.65，具旋光性、壓電性，傳熱性差，不導(dǎo)電，其電學(xué)、熱學(xué)和某些機(jī)械性能均具有明顯的異向性。
前世：石英七大礦產(chǎn)資源類(lèi)型
石英在自然界中的分布十分廣泛，成因多種多樣，但目前能夠作為工業(yè)應(yīng)用的石英礦物資源主要有7種礦床工業(yè)類(lèi)型：天然水晶、石英砂巖、石英巖、脈石英、粉石英、天然石英砂和花崗巖石英。
天然水晶
一種無(wú)色透明的大型石英結(jié)晶體礦物，主要成份為二氧化硅。水晶的自然生長(zhǎng)環(huán)境多是在巖洞、巖石裂縫或節(jié)理、斷層中，其生長(zhǎng)條件比較苛刻，必須同時(shí)滿(mǎn)足四個(gè)條件：充裕的生長(zhǎng)空間，能夠提供富含二氧化硅的熱液，一定的溫度和壓力，足夠生長(zhǎng)時(shí)間。
石英砂巖
石英砂巖是一種固結(jié)的砂質(zhì)沉積巖，其石英和硅質(zhì)碎屑含量一般>95%，副礦物多為長(zhǎng)石、云母和粘土礦物，重礦物很少，膠結(jié)物一般為硅質(zhì)。
石英巖是由石英砂巖或其他硅質(zhì)巖經(jīng)區(qū)域變質(zhì)作用或熱接觸變質(zhì)作用而形成的變質(zhì)巖石，伴生礦物除長(zhǎng)石、云母和粘土礦物以外，往往還含有微量的電氣石、赤鐵礦和鋯英石等。與石英砂巖相比，其礦石致密堅(jiān)硬，硬度較高。我國(guó)石英巖資源十分豐富，開(kāi)發(fā)利用量大。
脈石英
主要是與花崗巖有關(guān)的巖漿熱液作用形成，致密塊狀構(gòu)造，其礦物成分單一，幾乎全部為石英，SiO2含量一般在99%以上。脈石英礦床規(guī)模一般不大，產(chǎn)狀陡，厚度一般幾米至幾十米，長(zhǎng)度一般為十幾米至幾百米，一個(gè)礦區(qū)可由一條礦脈或由多條礦脈組成。
粉石英
是一種顆粒極細(xì)，SiO2含量高的天然粉狀石英礦。主要是由硅質(zhì)母巖風(fēng)化解體而成的沉積風(fēng)化型礦床。在特殊的地質(zhì)構(gòu)造條件下，在溫濕的古氣候、地形平緩古地理等因素作用下，促使硅質(zhì)巖不斷碎裂解體，并在水力作用下將雜質(zhì)帶走，最終形成礦床。
天然石英砂
是由花崗巖、石英巖、石英砂巖和脈石英等母巖經(jīng)過(guò)自然界長(zhǎng)期風(fēng)化而形成的一種以石英為主要礦物成分的砂狀石英礦物原料，其伴生礦物包括長(zhǎng)石、巖屑、云母、粘土礦物及鋯英石、電氣石、鈦鐵礦和角閃石等重礦物。主要為海相沉積砂礦床和河湖相沉積砂礦床。常見(jiàn)的地區(qū)有內(nèi)蒙通遼，福建晉江，海南文昌等。
花崗巖石英
矽比科IOTA高純石英系列產(chǎn)品能獲得國(guó)際壟斷地位的根本原因是，擁有世界上迄今為止發(fā)現(xiàn)的獨(dú)特的高純石英優(yōu)質(zhì)原料——花崗巖石英。該原料為產(chǎn)自美國(guó)北卡羅來(lái)納州Spruce Pine地區(qū)的偉晶花崗巖，該特殊類(lèi)型石英礦床的發(fā)現(xiàn)頗具傳奇性。
該礦最初是用來(lái)生產(chǎn)長(zhǎng)石和白云母，石英是尾礦中的廢棄物。在上世紀(jì)70年代，由于石英玻璃原料水晶的日漸枯竭，尋找可替代水晶的天然石英成為當(dāng)時(shí)許多國(guó)家急需攻克的難題。在此背景下，經(jīng)過(guò)改進(jìn)浮選技術(shù)，利用花崗質(zhì)偉晶巖中的石英替代了水晶，生產(chǎn)出了高純石英砂，直到今天美國(guó)仍然壟斷著國(guó)際高純石英砂高端產(chǎn)品的市場(chǎng)。
今生：石英的那些典型應(yīng)用
石英的應(yīng)用十分廣泛，在經(jīng)過(guò)一系列生產(chǎn)加工過(guò)程之后，被應(yīng)用于玻璃工業(yè)、鑄造業(yè)、陶瓷工業(yè)、耐火材料工業(yè)、化工工業(yè)、石油開(kāi)采、凈水材料、建筑材料、新能源光伏、電子半導(dǎo)體、光纖、光學(xué)、電光源、高端纖維材料、工業(yè)填料都眾多傳統(tǒng)與新興產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域。
用量最大的應(yīng)用領(lǐng)域
玻璃行業(yè)是石英資源消費(fèi)量最大的領(lǐng)域，廣泛應(yīng)用于建筑、汽車(chē)、新能源、醫(yī)療等領(lǐng)域，玻璃行業(yè)主要產(chǎn)品類(lèi)型有平板玻璃、器皿玻璃、鋼化玻璃、光伏玻璃、電子玻璃、藥用玻璃等。
（圖源：pixabay）
2021年我國(guó)玻璃產(chǎn)量為101665萬(wàn)重量箱，合計(jì)石英砂消耗約3406萬(wàn)t。據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局?jǐn)?shù)據(jù)顯示，2023年我國(guó)平板玻璃產(chǎn)量為96941.80萬(wàn)重量箱，需消耗約為3247萬(wàn)t石英砂；2023年我國(guó)光伏壓延玻璃累計(jì)產(chǎn)量2478.3萬(wàn)t，每生產(chǎn)一噸光伏玻璃大約需要0.71噸低鐵石英砂，因此需消耗約1760萬(wàn)t石英砂。以此估算，2023年我國(guó)僅平板玻璃和光伏玻璃領(lǐng)域就要消耗石英砂超5000萬(wàn)t，整個(gè)玻璃大行業(yè)每年所需的石英砂總量應(yīng)該是遠(yuǎn)超過(guò)這個(gè)數(shù)量。
玻璃下游需求主要來(lái)自于房地產(chǎn)、汽車(chē)、家電、光伏、日用器皿和電子等行業(yè)，其中地產(chǎn)以及與地產(chǎn)相關(guān)的需求以往占到了玻璃下游需求的75%左右，受房地產(chǎn)等行業(yè)下行的影響，未來(lái)常規(guī)玻璃需求增長(zhǎng)緩慢；在“雙碳”目標(biāo)推動(dòng)下，全球光伏新增裝機(jī)將繼續(xù)發(fā)展，光伏玻璃需求仍將呈現(xiàn)逐年增加態(tài)勢(shì)。
最高端的應(yīng)用領(lǐng)域
半導(dǎo)體領(lǐng)域：半導(dǎo)體集成電路制造最為核心的環(huán)節(jié)就是芯片制造環(huán)節(jié)，芯片制造主要由單晶生長(zhǎng)、晶圓加工制造、集成電路芯片的生產(chǎn)以及后期封裝四個(gè)部分組成，其中最為核心、難度最高、對(duì)相關(guān)材料要求最嚴(yán)苛的為硅片制造和晶圓制程環(huán)節(jié)。
（圖源：賀利氏）
石英在半導(dǎo)體領(lǐng)域中的應(yīng)用主要是半導(dǎo)體級(jí)別的石英坩堝以及晶圓制造的輔材環(huán)節(jié)。而石英制品貫穿硅片制造和晶圓加工環(huán)節(jié)，應(yīng)用于半導(dǎo)體支撐擴(kuò)散、氧化、沉積、蝕刻等關(guān)鍵過(guò)程。其中純度為5N2的高純石英砂可制半導(dǎo)體石英坩堝，純度為4N和4N8的高純石英砂可制硅片氧化、擴(kuò)散等用的石英材料。
光纖領(lǐng)域：在大規(guī)模信息網(wǎng)絡(luò)建設(shè)需求的帶動(dòng)下，全球光纖通信行業(yè)一直處于高速發(fā)展態(tài)勢(shì)，經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，我國(guó)已經(jīng)成為全球光纖光纜生產(chǎn)和消費(fèi)的第一大國(guó)。光纖預(yù)制棒作為光纖光纜生產(chǎn)的“源頭”，一直被認(rèn)為是光纖光纜產(chǎn)業(yè)鏈的核心競(jìng)爭(zhēng)點(diǎn)。而光纖制造的主要基礎(chǔ)材料——光纖用石英玻璃也成為光通信業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)材料。其中，石英襯管（Substrate Tube）和套管（Jacket Tube）是光纖預(yù)制棒制備工藝過(guò)程中最常用的高端石英管材，其在光纖預(yù)制棒行業(yè)不斷發(fā)展的歷程中始終發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。
（圖源：賀利氏）
國(guó)內(nèi)的久智光電子材料科技有限公司以及光纖光纜制備技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的研究人員，以天然石英粉料為原料，利用等離子固相外沉積方法（PSOD），制備單模光纖預(yù)制棒用大尺寸石英套管，產(chǎn)品具有一次成型、羥基含量低、雜質(zhì)含量少、規(guī)格尺寸大(相對(duì)于多模套管)及玻璃化程序好等特點(diǎn)，能夠滿(mǎn)足單模光纖預(yù)制棒制備所需。為低衰減光纖開(kāi)發(fā)了一種新型的基礎(chǔ)材料和工藝路線，其在下一代超低衰減通信光纖制備中有廣闊的應(yīng)用前景。
最熱門(mén)的應(yīng)用領(lǐng)域
近年來(lái)，以新能源汽車(chē)、鋰電池、太陽(yáng)能光伏電池為代表的“新三樣”，給中國(guó)制造增添了新亮色，在出口市場(chǎng)表現(xiàn)尤為亮眼，為中國(guó)經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展提供新動(dòng)能。
在光伏產(chǎn)業(yè)鏈中，石英制品發(fā)揮著舉足輕重的作用。除了以超白低鐵石英砂為原料生產(chǎn)的光伏玻璃以外，以高純石英砂為原料生產(chǎn)的石英坩堝是近些年石英下游應(yīng)用領(lǐng)域中最為搶眼的產(chǎn)品。
石英坩堝屬于石英玻璃制品中的細(xì)分產(chǎn)品，具有潔凈、同質(zhì)、耐高溫等性能。目前廣泛應(yīng)用于太陽(yáng)能和半導(dǎo)體領(lǐng)域提煉晶體硅的生產(chǎn)工藝中，是晶體硅生產(chǎn)過(guò)程中的消耗品。
相較于普通石英砂，經(jīng)過(guò)選礦提煉制備而成的高純石英砂具有更好的耐高溫性及熱穩(wěn)定性。作為石英坩堝的核心原料，石英砂純度是保證石英坩堝具備優(yōu)良性能的核心指標(biāo)。
資料來(lái)源：
[1]汪靈教授：石英礦物學(xué)與物化性質(zhì)
[2]汪靈教授：石英應(yīng)用特點(diǎn)與礦床工業(yè)類(lèi)型
[3]中國(guó)粉體網(wǎng)：石英砂到底有多少種用途？終于有人說(shuō)清楚了！
[4]中國(guó)粉體網(wǎng)：年產(chǎn)上億噸石英砂，都流向哪了？
[5]中國(guó)粉體網(wǎng)：用天然石英砂也能造光纖！但這一指標(biāo)要求令99.99%的石英砂廠望而卻步
[6]中國(guó)粉體網(wǎng)：坩堝用石英砂的工藝技術(shù)特征及高純石英砂制備技術(shù)
[7]粉體大數(shù)據(jù)研究：中國(guó)半導(dǎo)體用石英材料市場(chǎng)研究分析報(bào)告（2024～2027）
(中國(guó)粉體網(wǎng)編輯整理/平安)
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